隨著金剛石和立方氮化硼刀具市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)摊滔，原材料供應(yīng)商的技術(shù)也在不斷地發(fā)展。過(guò)去40年的發(fā)展表明：對(duì)刀具制造商來(lái)說(shuō)，天然金剛石不再是日益發(fā)展的超硬材料系列中唯一可以選用的材料磷拧。
　　1 、引言
　　天然金剛石作為切削刀具已有幾百年的歷史了衩斋。在本世紀(jì)五十年代人工合成金剛石磨粒的出現(xiàn)之后者赴，七十年代制造出了第二類(lèi)金剛石基的切削刀具，即采用高壓合成技術(shù)制備的聚晶金剛石(PCD)瞎介。直到八十年代末碗厕，這兩類(lèi)金剛石還是僅有的應(yīng)用于制造有特定刃口的切削刀具的商用金剛石材料。天然和人工合成的金剛石材料的刀具加工之間相互交叉很少融辈，不能相互補(bǔ)充利用誓华。PCD 適用于所有通常的機(jī)械加工，但對(duì)一些有特殊要求的拋光工藝胧蹲，如制備Al2O3 鏡面時(shí)菇唇，往往不能滿足需要，在這種場(chǎng)合下只有使用單晶天然金剛石刀具才能達(dá)到所需要的表面光潔度的尺寸公差殉酬。
如今匪补，隨著新型超硬刀具產(chǎn)品的出現(xiàn)，可以選擇的余地也更大了烂翰。這些新產(chǎn)品包括：合成金剛石大顆粒單晶夯缺、由化學(xué)氣相沉積制備的聚晶金剛石薄膜和無(wú)襯底的金剛石厚膜。這些產(chǎn)品在整個(gè)金剛石刀具材料尚處于發(fā)展的初期階段，但從中可以明顯看出今后的發(fā)展趨勢(shì)踊兜。
本文主要闡述了金剛石刀具的各種選擇及應(yīng)用領(lǐng)域竿滨。
關(guān)鍵詞：PCD - 高溫高壓合成的聚晶金剛石。
　　CVD - 化學(xué)氣相沉積
　　CVD金剛石和PCVD金剛石 - 化學(xué)氣相沉積（低壓）聚晶金剛石（以涂層形式的薄膜和自由的可釬焊的無(wú)襯底厚膜）
　　CBN - 立方氮化硼
　　PCBN - 聚晶立方氮化硼
　　CVD CBN - 化學(xué)氣相沉積立方氮化硼
　　WC - 硬質(zhì)合金
　　2 捏境、工件材料和超硬刀具
　　眾所周知于游，由于碳對(duì)鐵有親和作用，特別在高溫下垫言，金剛石能同鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)曙砂，因此金剛石通常不適合用來(lái)機(jī)加工鐵及其合金工件。這大大限制了金剛石的應(yīng)用骏掀，因?yàn)橥ǔ?0 %的金屬工件含有鐵（這就是聚晶立方氮化硼-PCBN出現(xiàn)的原因）鸠澈。然而隨著對(duì)更堅(jiān)固、更輕質(zhì)和更耐磨材料需求的增加退博，在現(xiàn)代工業(yè)尤其是汽車(chē)工業(yè)中有色金屬材料和復(fù)合材料被大量使用颖助，而且它們正變得越來(lái)越重要。對(duì)于極耐磨的高性能材料别印，如纖維增強(qiáng)的塑料戏筹、高Si鋁合金、金屬基復(fù)合材料（MMCs）嫁昌，甚至耐磨的木材復(fù)合材料缓万，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，通常只能選用金剛石工具進(jìn)行加工锁荚。 
　　3 蔫狰、刀具材料的性能 
　　根據(jù)材料的耐磨性和斷裂韌性，給出了各種刀具材料進(jìn)行排序的結(jié)果滴练。理想的刀具材料應(yīng)是位于該圖右上角的材料芋妻，既具有極好耐磨性有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命，又具有高斷裂韌性使得它能承受高切削力摊桅。然而在耐磨性和斷裂韌性間只能選擇其一昭礁，通常有較好斷裂韌性的刀具材料如高速鋼往往沒(méi)有很好的耐磨性，而具有良好耐磨性的材料如陶瓷材料往往斷裂韌性不是很好藻丢。硬質(zhì)合金材料既有良好的耐磨性又有好的斷裂韌性剪撬，因此它的這些性能可以解釋硬質(zhì)合金材料在作為刀具材料時(shí)的廣泛適用性和重要性。
金剛石悠反，尤其是以純單晶形式存在的金剛石残黑，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最耐磨的材料。但是由于它具有解理面问慎，在受沖擊時(shí)往往會(huì)表現(xiàn)出脆性萍摊，容易被破壞。單晶金剛石的斷裂韌性比聚晶金剛石的平均值要低如叼，這里所指的聚晶金剛石包括PCD金剛石（含金屬鈷）和CVD金剛石（不含金屬）冰木。
　　單晶金剛石比聚晶金剛石具有更好的耐磨性。PCD的耐磨性在超過(guò)700℃的溫度下會(huì)減弱笼恰。這是因?yàn)镻CD 結(jié)構(gòu)中存在金屬鈷踊沸，它會(huì)促進(jìn)"逆向反應(yīng)"，即由金剛石向石墨的轉(zhuǎn)變社证。然而這種熱穩(wěn)定性的降低是極為罕見(jiàn)的逼龟，因?yàn)闊o(wú)論是在刀具制造還是使用過(guò)程中刀具溫度都很難達(dá)到700℃的高溫。另外PCD具有接近某一牌號(hào)WC 的斷裂韌性车匪，因此它甚至適用于存在高沖擊的操作過(guò)程秦代，如銑削和間斷式的切削操作。
另一種超硬聚晶材料是聚晶立方氮化硼（PCBN）臼裂。PCBN是在本世紀(jì)70 年代末期緊隨著PCD 后發(fā)展起來(lái)的一種用于加工硬質(zhì)鐵合金的材料蚯景。PCBN具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，且在高達(dá)1200 ℃的溫度下表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性前肥。因此在刀具尖端的相對(duì)高溫不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生任何不利的影響楣索，相反它還能在切削硬質(zhì)鐵合金時(shí)起到加速切削的作用。特別是同磨削相比淀肿，使用PCBN無(wú)論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都是更為有利媳惦。在大多數(shù)情形下，PCBN 表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的刀具材料如WC和陶瓷更優(yōu)良的性能讯谎。圖1 表明PCBN是耐磨性僅次于金剛石的材料碎员，其斷裂韌性同陶瓷接近，但其耐磨性比PCD 要差乘硬。
　　切削刀具材料性能
　　刀具材料的另一個(gè)重要性能是它的熱導(dǎo)率烁胳，因?yàn)樗鼘?duì)評(píng)價(jià)刀具的綜合加工效率和刀具的穩(wěn)定性起著非常重要的作用。金剛石能迅速將熱量從刀具尖端傳遞到刀體內(nèi)部從而有利于維持緊密公差廷支，減少金剛石出現(xiàn)熱損傷的可能性频鉴。
　　同其他刀具材料如WC和PCBN，甚至銅相比所有金剛石刀具材料均毫無(wú)例外為熱的良導(dǎo)體恋拍。金剛石實(shí)際熱導(dǎo)率隨著它的純度垛孔、結(jié)構(gòu)和取向變化而變化（因而存在最大值和最小值）。高純度金剛石--Ⅱ型天然金剛石施敢，極少用于工業(yè)領(lǐng)域周荐，往往局限于在高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域使用。對(duì)大多數(shù)工業(yè)用途來(lái)說(shuō)僵娃，更多使用1a 型天然金剛石和人工合成的1b 型金剛石概作。由于人工合成的PCD 具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)腋妙，如結(jié)構(gòu)中存在溶劑或催化劑金屬，使得聚晶金剛石刀具材料的熱導(dǎo)率比單晶金剛石低讯榕，但它仍顯現(xiàn)出優(yōu)異的熱學(xué)性能骤素。
　　PCBN 的熱導(dǎo)率比金剛石要低。設(shè)計(jì)用來(lái)對(duì)鐵基工件進(jìn)行粗加工的CBN含量較高的刀具的熱導(dǎo)率大約是設(shè)計(jì)用于拋光處理的CBN含量較低的刀具的兩倍愚屁。這是由于后者陶瓷粘結(jié)劑（熱絕緣相）含量較高的緣故撑枯。
　　4 、天然和合成的單晶金剛石
　　天然和人工合成的單晶金剛石大概是按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品分類(lèi)最簡(jiǎn)便的方法蛹活，它們都能用作切削刀具簇抑、修磨機(jī)和拉絲模具。它們都被設(shè)計(jì)用于對(duì)表面光潔度匕磅、幾何形狀和尺寸有較高要求的精密加工應(yīng)用領(lǐng)域枢蜗。單晶金剛石刀具切削的工件表面呈連續(xù)狀，而聚晶金剛石刀具切削的工件表面呈現(xiàn)出微米量級(jí)的不連續(xù)狀態(tài)晃逞，工件表面的狀況或多或少與金剛石刀具材料的晶粒尺寸有關(guān)矗壹。盡管對(duì)工件和加工刀具的精密特性需進(jìn)行認(rèn)真考慮，但有一個(gè)總的原則痪猿，即要求金屬表面光潔度優(yōu)于0. 025μm 的情形需用單晶金剛石刀具和具有高剛性和高質(zhì)量支架的機(jī)加工工具几郎。
　　天然金剛石早已被證明可成功應(yīng)用于這些領(lǐng)域。然而當(dāng)前高溫高壓技術(shù)的發(fā)展使得制備出具有一定尺寸的人工合成單晶金剛石成為可能续残，目前最大尺寸可達(dá)8mm（0.35 英寸）兑狱。采用高壓技術(shù)制備金剛石的典型例子是De Beers MONODITE 系列。人工合成單晶金剛石刀具的粗坯是沿著平行于1b 型合成金剛石的{100}面或沿一個(gè)厚2mm鸵赫，邊緣長(zhǎng)度達(dá)8mm的薄片所提供的平面鋸開(kāi)所制得衣屏。這種工程材料的優(yōu)點(diǎn)在于其尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性辩棒，這在天然產(chǎn)品中是不可能實(shí)現(xiàn)的狼忱。另外各種尺寸尤其是大尺寸天然金剛石的缺乏、不同金剛石品質(zhì)的區(qū)別以及對(duì)金剛石的選擇一睁、取向和刀具尖端的預(yù)處理等專(zhuān)業(yè)技巧的要求都對(duì)天然金剛石的價(jià)格因素產(chǎn)生重要影響钻弄，從而大大限制了它在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前人工合成單晶金剛石刀具材料的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展者吁。
　　5 窘俺、聚晶金剛石(PCD)
　　隨著PCD 的發(fā)展，如De Beers SYNDITE系列產(chǎn)品复凳，金剛石刀具的應(yīng)用已迅速擴(kuò)展到許多制造工業(yè)領(lǐng)域瘤泪，尤其是汽車(chē)和木材加工工業(yè)，成為傳統(tǒng)的WC刀具的高性能替代產(chǎn)品育八。作為一種一致認(rèn)可的对途、價(jià)格低廉且可用刃口長(zhǎng)度達(dá)70mm的產(chǎn)品赦邻，PCD的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。
PCD的性能主要依賴于它的應(yīng)用場(chǎng)合和所涉及的加工過(guò)程锉寿，但選擇適當(dāng)?shù)呐铺?hào)或晶粒尺寸也會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響轻樟。標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)包括002，010 和025 幾種芍司，它們初始晶粒平均尺寸分別為2，10和25μm甜序〕槎拢總的來(lái)說(shuō)，牌號(hào)越大驹拢，其耐磨性越好起忠，在相接近的刃口加工量下，牌號(hào)越小則刃口質(zhì)量越好帕吆。
　　6 聋芹、層狀木材地板的加工
　　近年來(lái)人工合成單晶金剛石的一個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域是木材加工業(yè)，這主要依賴于它的高度耐磨性而不是它傳統(tǒng)的表面拋光能力觅霉。PCD刀具在木材加工業(yè)中早已應(yīng)用于MDF和粗紙板的機(jī)械加工沥涕，當(dāng)前對(duì)表面有氧化鋁涂層的高度耐磨層狀木地板的需求越來(lái)越大，但是在研磨這種木板邊緣時(shí)對(duì)包括PCD在內(nèi)的刀具提出了特殊的要求绑警，因?yàn)槟景迥湍訒?huì)引起刃口的鈍化求泰，導(dǎo)致氧化鋁耐磨層的碎裂。因此刀具必須經(jīng)常修整计盒，直至重新研磨或更換渴频，這勢(shì)必導(dǎo)致很長(zhǎng)的停工時(shí)間。據(jù)報(bào)道在該領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)北启，人工合成單晶金剛石的性能優(yōu)于PCD卜朗。
　　7 、化學(xué)氣相沉積金剛石
　　PCD咕村、PCBN和人工合成單晶金剛石均是在高溫和高壓下合成的场钉，而CVD金剛石是在低壓下制備的。碳基氣體和氫氣的混合物在高溫和低于大氣壓的壓力下分解形成金剛石沉積在基體上懈涛。沉積出的是交互生長(zhǎng)極好的聚晶金剛石惹悄，它呈柱狀結(jié)構(gòu)且非常致密。隨著生長(zhǎng)條件的不同肩钠，CVD金剛石也呈現(xiàn)出不同的晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)泣港。CVD金剛石不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石岂张。
可以根據(jù)需要對(duì)晶粒尺寸和沉積技術(shù)進(jìn)行選擇墓篇。例如在非刀具的應(yīng)用場(chǎng)合粤沥，如熱控制和光學(xué)視窗，對(duì)CVD金剛石的性能要求明顯不同于切削刀具瘾夯。根據(jù)不同的應(yīng)用需要選擇不同的CVD沉積工藝可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的聚晶金剛石索射。由于對(duì)刀具的性能要求是多種多樣的，所以可能要多種不同晶粒尺寸的CVD 才能滿足各種應(yīng)用的需要巧嗡。
實(shí)際上CVD金剛石刀具有兩種形式虎铅。第一種是在適當(dāng)基體上沉積厚度小于30μm的薄層（薄膜），例如ISO刀片和麻花鉆頭的刃口是兩種典型的薄涂層恋鞋。第二種是沉積厚度達(dá)1mm的無(wú)襯底的金剛石層（厚膜）钟骏，如果需要它可以釬焊在基體上。
　　8赵须、CVD薄膜
　　如果要達(dá)到對(duì)CVD薄膜的沉積和結(jié)合強(qiáng)度滿意的程度企鄙，則基體材料的性質(zhì)和制備就顯得非常重要。直到目前业嗅，該項(xiàng)技術(shù)仍限制著CVD涂層的制備倘谢，因此目前在CVD制備薄膜領(lǐng)域的大部分工作都致力于對(duì)它的研究。深受歡迎的基體材料是燒結(jié)WC咒吐，因?yàn)椴粌H它的機(jī)械性能同金剛石較匹配野建，而且由于刀具制造者對(duì)WC基的刀具材料已非常熟悉從而樂(lè)于接受它。
對(duì)加有涂層的刀具材料的第二個(gè)限制是基體上的涂層必然在刃口上形成倒圓恬叹，這將限制涂層的厚度贬墩，因而有必要對(duì)加有涂層的刃口進(jìn)行處理，如進(jìn)行研磨等妄呕。
到目前為止陶舞，薄膜金剛石產(chǎn)品的市場(chǎng)還不是很大。
　　9 绪励、CVD厚膜
　　恰恰相反肿孵，CVD厚膜可以通過(guò)特殊的但簡(jiǎn)便易行的技術(shù)釬焊到所要求的基體上。然而這種釬焊點(diǎn)的強(qiáng)度決不等同于PCD強(qiáng)度疏魏，在用于間斷切削這種高要求的機(jī)械加工過(guò)程時(shí)停做，這種連接就顯得很脆弱。否則的話大莫，CVD金剛石厚膜將能在整個(gè)機(jī)械加工應(yīng)用領(lǐng)域同PCD競(jìng)爭(zhēng)蛉腌。它同PCD相比主要的優(yōu)點(diǎn)是它的熱穩(wěn)定性更好，缺點(diǎn)是具有相對(duì)高的脆性和不導(dǎo)電性厨朗。缺乏導(dǎo)電性阻礙了它用于放電腐蝕（EDM）切削和加工技術(shù)瑟顶，該項(xiàng)技術(shù)在金剛石刀具加工業(yè)，尤其是在木材加工用刀具的生產(chǎn)和修整上得到了廣泛應(yīng)用淀然。但是能用EDM切削的厚CVD刀具材料已經(jīng)制造出來(lái)了鹿腕，眼下正在對(duì)它進(jìn)行評(píng)估秋豌。它潛在的應(yīng)用領(lǐng)域還有對(duì)高耐磨工件的機(jī)械加工，在這種場(chǎng)合主要利用了CVD厚膜中金剛石的高純度以及由此帶來(lái)的耐磨性和熱穩(wěn)定性的提高悼锻。
　　自1992 年后劲旗，De Beers公司以DIAFILM 用于電子和光學(xué)領(lǐng)域的無(wú)襯底CVD 金剛石厚膜的商業(yè)品牌銷(xiāo)售。
顯然相對(duì)PCD而言透辜，CVD金剛石厚膜的成本決定它最終將會(huì)進(jìn)入超硬工具工業(yè)領(lǐng)域常孕。目前它的成本較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展會(huì)降低使萨。
　　10 逐会、CVD CBN
　　當(dāng)談到涂層時(shí)顯然應(yīng)提及CVD CBN，理論上講以不磨刃刀片對(duì)鐵基材料進(jìn)行機(jī)械加工極具吸引力喂很。然而與金剛石不同的是惜颇，金剛石由單一元素組成皆刺，而它是化合物少辣，包括化學(xué)計(jì)量在內(nèi)的眾多問(wèn)題都使得它的生長(zhǎng)工藝更為復(fù)雜。盡管經(jīng)過(guò)多年研究羡蛾，實(shí)際上所有的CVD CBN涂層都是多相微晶材料漓帅。同高質(zhì)量的CVD金剛石相比，CVD CBN更象"類(lèi)金剛石碳"（DLC）痴怨。發(fā)展涂有DLC 涂層刀具的應(yīng)用是很有可能的忙干，盡管到目前為止這種應(yīng)用前景還未明顯顯現(xiàn)。
　　11 浪藻、結(jié)論
　　顯然各種不同金剛石切削刀具形式之間能很好地相互補(bǔ)充捐迫。然而也存在一些相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域就需對(duì)刀具產(chǎn)品進(jìn)行選擇爱葵。最有可能出現(xiàn)交叉的有兩大類(lèi)產(chǎn)品：
　　-天然和人工合成的單晶金剛石
　　-PCD和CVD金剛石厚膜
　　人工合成的單晶金剛石已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較為先進(jìn)的水平施戴，有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行鑒定。在天然金剛石中較少見(jiàn)大尺寸金剛石萌丈，而人工合成大尺寸金剛石的成功為開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域赞哗，如在木材加工業(yè)，提供了可能庭走。
可加工級(jí)的CVD 金剛石厚膜具有高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的熱學(xué)性能蕴脯，它的蓬勃發(fā)展表明CVD 金剛石將在刀具工業(yè)中發(fā)揮積極作用。合成金剛石替代天然金剛石和CVD 金剛石替代PCD 的程度都將取決于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的考慮荸凸。價(jià)格和性能的關(guān)系曼沐，刀具制造商和最終用戶對(duì)CVD 金剛石的友好程度，尤其是成型一恃、研磨和釬接的容易程度等都將影響最終結(jié)果鱼虽。然而有一點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的海黍，即朝著具有更高生產(chǎn)率和更高切削速度的方向發(fā)展。隨著更耐磨和更難加工工件材料的增多付准，各類(lèi)金剛石刀具的應(yīng)用將持續(xù)大量地增加闲挚。毫無(wú)疑問(wèn)，為達(dá)到未來(lái)工業(yè)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)金剛石刀具是一個(gè)關(guān)鍵因素佩艇。

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